陳濤，鄧兆敬

(中化學(xué)科學(xué)技術(shù)研究有限公司，北京 102402)

0 引言

石油化工裝置工藝復(fù)雜且布置高度密集，管道縱橫交錯(cuò)。我國石化行業(yè)發(fā)展迅猛，在偏遠(yuǎn)地區(qū)或海外建設(shè)石化項(xiàng)目，施工復(fù)雜、成本高、管理難、風(fēng)險(xiǎn)難以控制。為了強(qiáng)化項(xiàng)目質(zhì)量，節(jié)省項(xiàng)目成本，保證項(xiàng)目進(jìn)度，模塊化制造和組裝正在逐步替代傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工。與現(xiàn)場施工相比，將設(shè)計(jì)制造好的模塊交付現(xiàn)場進(jìn)行快速組裝，具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)：高效、快速、安全。

模塊化是基于對(duì)工藝系統(tǒng)的整體分析，分割、設(shè)計(jì)和制造出一系列的單元模塊，通過組合實(shí)現(xiàn)不同功能[1-2]。硫磺生產(chǎn)硫酸主要有焚硫、SO2轉(zhuǎn)化和SO3吸收三步。其中，SO3吸收反應(yīng)釋放的熱能品位太低，傳統(tǒng)工藝產(chǎn)生的余熱一般通過循環(huán)水冷卻流失。利用SO3吸收反應(yīng)的低位熱生產(chǎn)蒸汽，該工藝最早由美國孟莫克有限公司開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了硫酸工業(yè)低位熱利用的重大技術(shù)突破[3]。以往低位熱回收裝置通常采用傳統(tǒng)的“螞蟻搬家”模式建造，投資巨大，施工復(fù)雜，技術(shù)參數(shù)的控制難以實(shí)現(xiàn)，沒有考慮整體進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和施工[3-5]。

SABIC配建的國產(chǎn)化低位熱回收系統(tǒng)，建成投產(chǎn)后各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，連續(xù)產(chǎn)出0.8 MPa(G)低壓蒸汽，成功實(shí)現(xiàn)低位熱回收系統(tǒng)的模塊化應(yīng)用，成本經(jīng)濟(jì)、布置合理、結(jié)構(gòu)精細(xì)、運(yùn)行安全平穩(wěn)。該模塊解決了工藝難點(diǎn)，控制技術(shù)先進(jìn)，最大限度利用SO3吸收反應(yīng)釋放的低位熱，利用率國際領(lǐng)先。采用模塊化的設(shè)計(jì)和施工，不僅能提高項(xiàng)目的綜合管理水平，讓設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝和施工合理銜接，更能有效降低項(xiàng)目成本，提高企業(yè)生產(chǎn)效益。

1 低位熱回收模塊的工藝流程

SABIC的硫磺制酸裝置配套增設(shè)的低位熱回收模塊，主要由熱回收塔T1、熱循環(huán)槽V1、熱循環(huán)泵P1、低位熱回收器E1、均混器V2、鍋爐水再熱器E2、管殼式酸冷器E3等設(shè)備組成，工藝流程示意圖，如圖1所示。

圖1 低位熱回收模塊的工藝流程示意圖

熱回收塔由下而上分為第一、第二填料段。含SO3的工藝氣體從底部進(jìn)入熱回收塔T1，與一級(jí)噴淋酸和二級(jí)噴淋酸進(jìn)行逆流接觸，反應(yīng)吸收。二級(jí)噴淋酸(60 ℃，98.5%)來自一吸酸冷器，在第二填料段逆流吸收少量SO3后噴淋進(jìn)入第一填料段，與一級(jí)噴淋酸(190 ℃，99.0%)匯合，吸收SO3后流入塔底的熱循環(huán)槽V1，經(jīng)熱循環(huán)泵P1送入低位熱回收器E1。低位熱回收器利用高溫?zé)崃蛩嵘a(chǎn)低壓蒸汽，降溫后的硫酸(約180 ℃)送入均混器V2調(diào)節(jié)酸濃，循環(huán)送至熱回收塔進(jìn)行噴淋。多余的高溫濃硫酸，跨線進(jìn)入鍋爐水再熱器E2和管殼式酸冷器E3，進(jìn)一步余熱回收后，送入模塊外的干吸酸循環(huán)槽。

脫鹽水在管殼式酸冷器E3進(jìn)行預(yù)熱，經(jīng)模塊外的除氧器除氧后形成低壓鍋爐給水，送至本系統(tǒng)的鍋爐水再熱器E2進(jìn)行二次換熱，最后送入低位熱回收器，汽化產(chǎn)生0.8 MPa(G)的飽和蒸汽，并入硫酸工段低壓蒸汽管網(wǎng)。

2 低位熱回收模塊的構(gòu)造和設(shè)計(jì)理念

低位熱回收模塊屬于具有完整工藝過程和功能的區(qū)塊。主要由熱回收塔、低位熱回收器、均混器、熱循環(huán)泵、鍋爐水再熱器、管殼式酸冷器等設(shè)備組成。熱回收塔為填料塔，主體立式圓筒形結(jié)構(gòu)，整體由特種不銹鋼材料制作；低位熱回收器是列管釜式鍋爐，生產(chǎn)低壓蒸汽，殼體為碳鋼，列管為特種合金鋼；均混器為橫臥筒式結(jié)構(gòu)，主體為特種合金鋼，內(nèi)置混合器耐高溫、耐腐蝕；熱循環(huán)泵選用國產(chǎn)的立式泵，單泵在線運(yùn)行，輸送高溫濃硫酸；鍋爐水再熱器和管殼式酸冷器，換熱管束采用特種不銹鋼，用于低壓鍋爐水二次換熱和脫鹽水預(yù)熱[6]。

2.1 設(shè)計(jì)原則

SABIC低位熱回收模塊的設(shè)計(jì)遵循工藝流程，將設(shè)備、管道、儀表和電氣等必需的構(gòu)造單元布置在模塊內(nèi)，工藝滿足SABIC工程規(guī)范(SES)，模塊的重量和尺寸滿足道路運(yùn)輸和現(xiàn)場裝卸的規(guī)范要求。模塊采用的鋼結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度、抗震、運(yùn)輸及吊裝工況的要求。各子模塊都在制造廠內(nèi)完成，子模塊之間的界面接口較少，模塊運(yùn)到項(xiàng)目現(xiàn)場后進(jìn)行組裝拼接，安裝方便，施工簡單。

2.2 模塊布置

SABIC低位熱回收模塊的布置按工藝流程排列設(shè)備，設(shè)備之間預(yù)留檢修空間和公用通道，滿足SES對(duì)安全生產(chǎn)、操作檢修等的要求。模塊外側(cè)通常布置維護(hù)和檢修頻次較高的設(shè)備，模塊內(nèi)側(cè)通常布置尺寸高大的設(shè)備；具有換熱管束的設(shè)備，如低位熱回收器、鍋爐水再熱器和管殼式酸冷器等留有檢修空間；熱循環(huán)泵、酸冷器及均混器等采用體積小、效能高的設(shè)備；熱回收塔超出單個(gè)模塊最大尺寸，無法滿足布置要求，整體作為獨(dú)立模塊建造，關(guān)聯(lián)的管道結(jié)構(gòu)、儀表電氣、保溫防腐等均在生產(chǎn)廠內(nèi)完成預(yù)制，最后在項(xiàng)目現(xiàn)場進(jìn)行拼接和組裝。

2.3 模塊設(shè)計(jì)

Smart Plant是美國Intergraph公司推出的工程設(shè)計(jì)軟件，該軟件以區(qū)域或系統(tǒng)劃分工廠結(jié)構(gòu)，按照制定的規(guī)則及工作流程來進(jìn)行設(shè)計(jì)，可進(jìn)行各模塊間的集成，便于設(shè)計(jì)信息的查詢和管理。低位熱回收模塊采用Smart Plant集成平臺(tái)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、三維建模、施工管理和運(yùn)營維護(hù)等方面效果顯著。

(1)設(shè)計(jì)階段工藝先行導(dǎo)入P＆ID，管道、儀表、電氣、結(jié)構(gòu)等多個(gè)專業(yè)在同一平臺(tái)協(xié)同辦公，將設(shè)計(jì)過程中的工程信息數(shù)字化、集成化，實(shí)現(xiàn)工程信息跨專業(yè)、跨部門共享。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，上下游專業(yè)的設(shè)計(jì)文件準(zhǔn)確一致。

(2)低位熱回收模塊整體在SP3D建模，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、管道、電氣和儀表的精準(zhǔn)布置，交接界面清晰，工程信息涵蓋施工、采購等所有工程階段，便于后期的模塊預(yù)制、施工、組裝和生產(chǎn)管理。

(3)通過整體布局，模塊中所有的設(shè)備、管件、儀表、電氣、結(jié)構(gòu)等單元可以按規(guī)格進(jìn)行獨(dú)立編號(hào)和準(zhǔn)確定位。以數(shù)據(jù)倉庫方式來管理整個(gè)項(xiàng)目的工程數(shù)據(jù)及工程數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，包括工藝流程圖、三維模型、儀表接線圖、設(shè)備表、管線表、廠家文件等，設(shè)計(jì)質(zhì)量和深度要求更容易滿足。

(4)集成化服務(wù)貫穿設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營這個(gè)完整的工廠生命周期。通過后續(xù)的數(shù)字化移交和面向業(yè)主的運(yùn)營和維護(hù)，可以實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)字化工廠。

2.4 模塊組裝

SABIC低位熱回收模塊的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)主要采用焊接或螺栓連接方式。本模塊建造完成后先在生產(chǎn)廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝，確保精準(zhǔn)對(duì)接，預(yù)裝后進(jìn)一步完成模塊的鋼結(jié)構(gòu)涂裝和絕熱涂漆、無損檢驗(yàn)、清洗試壓，以及儀表、電氣、管廊橋架敷設(shè)等工作。對(duì)模塊內(nèi)的輔助支撐和臨時(shí)支撐，大都采用螺栓連接，完成模塊的現(xiàn)場組裝后進(jìn)行拆除。

3 低位熱回收模塊的流程模擬

利用Aspen Plus建立低位熱回收模塊的工藝模型，使用Electrolyte Wizard 定義各種組分，選擇ENRTL-RK物性方程，模擬吸收工藝并計(jì)算了本模塊的主要設(shè)備。進(jìn)料為含SO3的工藝氣體，吸收率為99.96%，低壓蒸汽(177 ℃，0.8 MPa(G))產(chǎn)量為20.36 t/h，流程模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù) (20.62 t/h)基本吻合。通過Aspen Plus建模分析低位熱回收模塊的節(jié)能效率，計(jì)算 結(jié)果表明本模塊的低位熱回收利用率達(dá)到96.8%。

4 低位熱回收模塊的控制關(guān)鍵

SABIC低位熱回收模塊通過提高酸溫來提升低位余熱品位，要求整個(gè)酸循環(huán)系統(tǒng)在200 ℃左右的高濃度硫酸工況下運(yùn)行。不銹鋼的腐蝕速率與硫酸的溫度和濃度密切相關(guān)，根據(jù)美國孟莫克有限公司提供的不銹鋼等腐蝕數(shù)據(jù)可知，在溫度為120 ℃以上，ω(H2SO4)在 98%以上時(shí)，304不銹鋼的腐蝕速率＜ 0.13 mm/a；當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，大部分不銹鋼的腐蝕速率降至最低點(diǎn)。低位熱回收模塊選用比304不銹鋼耐腐蝕性更強(qiáng)的特種鉻錳合金作為材料，用于塔、槽、閥、循環(huán)酸管線等的制造，在正常的操作條件下，具有良好的抗氧化性、耐晶間腐蝕能力、耐沖刷性能[6]。SABIC低位熱回收模塊對(duì)操作溫度和硫酸濃度的控制要求非常嚴(yán)格，操作溫度為160～200 ℃，ω(H2SO4)為98%～100%。

(1)除二級(jí)進(jìn)口酸濃為98.5%以外，低位熱回收工藝的正常酸濃ω(H2SO4)操作范圍為99.0%～99.7%，溫度操作范圍為180～200 ℃。

(2)熱回收塔出口處的酸濃度應(yīng)保持低于99.7%，第一級(jí)入口處的酸濃度不應(yīng)低于99.0%。

(3)開車期間當(dāng)酸溫低于93 ℃時(shí)第一級(jí)入口處的酸濃可以低于99.0%。但即使在開車期間，酸濃也不允許下降到97%以下。一旦酸溫超過120 ℃或濃度下降到97%以下，就必須停車換酸。

(4)低位熱回收裝置在正常的酸濃、酸溫范圍內(nèi)操作時(shí)，腐蝕率很低，一旦偏離正常操作范圍，即使很短的時(shí)間(約1 h)也會(huì)對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞。設(shè)備和管道與高溫硫酸直接接觸，對(duì)工藝干擾敏感，要求生產(chǎn)運(yùn)行中密切關(guān)注各工藝參數(shù)，將循環(huán)酸溫度、濃度等控制在正常范圍內(nèi)。

本模塊在硫酸循環(huán)管道上設(shè)置多臺(tái)在線酸濃分析儀，通過聯(lián)鎖自動(dòng)調(diào)節(jié)一級(jí)噴淋酸濃度，在線監(jiān)控系統(tǒng)的泄漏情況。通過控制關(guān)鍵工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高吸收率、高產(chǎn)氣率和低腐蝕率。

5 低位熱回收模塊的運(yùn)行效果

SABIC低位熱回收模塊的主體設(shè)備和管道采用特殊材料制造，整個(gè)酸循環(huán)系統(tǒng)適用于強(qiáng)腐蝕工況，可以保證生產(chǎn)安全和利用效率。該模塊自開車后達(dá)到設(shè)計(jì)能力，連續(xù)產(chǎn)出0.8MPa(G)低壓蒸汽，運(yùn)行平穩(wěn)。與傳統(tǒng)裝置相比，SABIC硫磺制酸裝置每生產(chǎn)1 t硫酸可以增產(chǎn)低壓蒸汽0.4～0.6 t，同時(shí)減少循環(huán)水消耗20～30 t。使用該低位熱回收模塊增產(chǎn)的低壓蒸汽和減少的循環(huán)水耗量，每年為SABIC創(chuàng)造額外的經(jīng)濟(jì)效益約1300萬元，1.5年收回全部投資，節(jié)能降耗帶來的經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)論

本文的低位熱回收模塊以吸收SO3后的濃硫酸為熱能載體，通過酸循環(huán)回收低位熱生產(chǎn)蒸汽，杜絕了傳統(tǒng)的低位熱流失，將低位熱利用率從傳統(tǒng)裝置的零利用提高到95%以上。將低位熱回收系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)和制造后，以模塊形式在SABIC現(xiàn)場進(jìn)行交付和組裝，具有高效、快速、安全的優(yōu)勢(shì)。這不僅有利于提高項(xiàng)目整體的綜合管理水平，更能大幅節(jié)約項(xiàng)目執(zhí)行成本。隨著國家“一帶一路”倡議的展開，中國海外投資和建設(shè)的項(xiàng)目逐年增多，低位熱回收的模塊化應(yīng)用更具價(jià)值。希望本文的模塊化思想和技術(shù)應(yīng)用，能夠促進(jìn)模塊化設(shè)計(jì)和施工在石油化工行業(yè)中的應(yīng)用。